Способ определения высокочастотных параметров ускоряющих структур Советский патент 1992 года по МПК H01J9/42 

Изобретение относится к ускорительной технике и СВЧ-технике и может быть использовано для определения дисперсионных и электродинамических характеристик группирующих и ускоряющих волноводов,

Цель изобретения - повышение точности и упрощение способа.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу, основанному на пропускании через ускоряющую структуру непрерывного электронного пучка, возбуждении в ней бегущей волны электромагнитного поля, измерении входных параметров электронного пучка и определении высокочастотных характеристик по аналитическим соотношениям, измеряют параметры автогенерации пучка в исследуемой ускоряющей структуре - пороговый ток, напряжение инжекции, частоту, крутизну электронной перестройки частоты и высокочастотные характеристики определяют из выражений

RCB -

Un (Vn)

8,2 N

i3

-в

I

Vn -у (1 + V1 +c/Df; Af f2(U2)fi(Ui);

Un

гтъс

Vrp

1

,

(l-(v2n/C2)1/2-l); (1)

i .fy1 № s)

mo

2

ч

09 Ю О

где Vn - скорость частиц пучка, м/с.

Un - напряжение инжекции. В;

RCB - сопротивление связи ускоряющей структуры для обратной (-.пространственной гармоники (с отрицательной групповой скоростью), Ом;

Vrp - значение групповой скорости для частоты f, м/с.;

с - скорость света;

mo, e - масса и заряд электрона;

N lf/Vn(Un) - число замедленных длин волн, укладывающееся на длине исследуемой ускоряющей структуры I;

JY, - пороговое значение тока инжекции, соответствующее началу автогенерации, А;

S df/dU - крутизна электронной перестройки частоты, (Гц/В);

A f - ширина полосы пропускания исследуемой структуры;

fi, Ui, fa, Ш - граничные значения частоты автогенерации, Гц, и напряжения инжекции, В, соответствующие срыву автогенерации вблизи частот отсечки;

D - период структуры, м;

На фиг. 1 представлена принципиальная схема для реализации способа; на фиг. 2 - дисперсионная зависимость ускоряющей структуры.

Устройство содержит инжектор 1 электронного пучка, оснащенный измерителями 2 напряжения и измерителями 3 тока, исследуемую ускоряющую структуру 4, оснащенную согласованной поглощающей нагрузкой 5 и фокусирующей системой 6, СВЧ-тракт 7, связанный с ускоряющей секцией и оканчивающейся согласованной нагрузкой 8, содержащей калиброванный ответвитель 9, подключенный к измерительной детекторной головке 10 и частотомеру 11.

Способ реализуют следующим образом.

Непрерывный электронный пучок изин- жектора 1, удерживаемый магнитным полем системы б, проходит пространство взаимодействия ускоряющей структуры 4. В такой системе возникает автогенерация СВЧ- мощности, распространяющейся навстречу пучку, по типу лампы обратной волны (ЛОВ), и регистрируется измерительной детекторной головкой 8, если ток инжекции, измеряемый системой 3, больше порогового значения

Un

In

3

8.2 RCBN

где Un - напряжение инжекции, соответствующее примерному синхронизму скорости частиц пучка Vn и фазовой скорости Vr низшей обратной пространственной гармоники

Vn(Un) «Vr.

Так как обычно в ускоряющих структурах между ячейками - элементами периодичности связь емкостная и фазовая скорость основной волны на рабочей частоте f равна скорости света, то

Vr

с

О

где в- рабочий вид колебания:

f

0 2,4

Vf

2тгО

Ъ

10 где D - период структуры, 0 в л.

Рассматривая совместно эти.соотноше- ния, получают условие для величины скорости частиц инжектируемого пучка

15

4 +V1 +«/Df).

20

Отсюда получают условие выбора напряжения инжекции пучка

Un

m0c

1

У1 -V2/C2

Задавая это значение напряжения инжекции для данной структуры с известным периодом структуры, определяют величину порогового тока по началу автогенерации сигнала с измеренной частотой f и определяют соответствующее сопротивление связи.

Высокая точность измерения сопротивления связи (на уровне единиц процентов) обусловлена возможностью высокой точности измерения частоты, периода структуры, напряжения инжекции, величины порогового тока автогенерации, з также большим значением производной dP/dl при пороговом значении тока, где 3 - СВЧ-мощность

автогенерации, dP/dtf оо

Для того, чтобы определить рабочую полосу частот ускоряющей структуры, достаточно задать ток, превышающий пороговый

в 2-5 раз, что соответствует максимуму КПД автогенерации и проварьировать напряжение инжекции вблизи найденного значения вплоть до срыва генерации - так можно определить граничные значения частот отсечки для ускоряющей секции в совокупности с

СВЧ-трактом.

Определение групповой скорости основано на ее взаимосвязи с крутизной электронной перестройки частоты в ЛОВ в

отсутствие отражений:

, f/(2;Un) а 1-Vn/Vrp

Однако эта формула получена для нерелятивистского пучка 8 ЛОВ и следует

учитывать релятивистскую поправку. Следовательно, ограничиваясь в формуле Релея линейным членом в виде

э ЛМ W.

..- | - Д1 v-3

- ГГ1 У

i

получают

S

moVS у3

/(1 - Vn/Vrp)

Измеряя крутизну электронной перестройки частоты по величине производной зависимости частоты генерации от напряжения инжекции из последней формулы, легко выразить величину групповой скорости.

Пример. Период структуры D 5,5 см, длина подсекции I 55 см, рабочая частота структуры лежит вблизи частоты 1818± ±1,5 МГц.

Следовательно, скорость пучка должна составлять , напряжение инжекции Un «80 кВ, N 6,4. Из экспериментальной зависимости мощности СВЧ автогенерации от тока пучка определяют величину порогового тока при Un 80 кВ, f 1819 МГц; 1П 0,25 А.

Отсюда в соответствии с (1) RCB 150 Ом.

По определению сопротивления связи это соответствует величине электродинамического параметра для первой отрицательной пространственной гармоники

J§. Ур

св

.

Учитывая, что величина параметра нагружен ия последуемой структуры а/Я 0,11, относительная толщина диафрагмы t/A 0,0365. вид колебания в 2 я/3, а для основной гармоники 520 V Ом .

С целью измерения ширины полосы пропускания снимается экспериментальная зависимость частоты генерации от напряже- ния инжекции. Срыв генерации наступает при Un :Ј Ui 64 кВ, Un U2 101 кВ, что соответствует частотам отсечки f 1816.5 МГц и f2 - 1819 МГц, т.е. ширина полосы пропускания исследуемой структуры составляет Af f2-fi 2.5Mr4.

Кроме того, эта ширина соответствует исследуемой структуре в целом, т. е. вместе с фазосдвигающей ячейкой, группирующей (первой) подсекцией, которая не участвует во взаимодействии пучка со структурой, и трансформатором типа волны, наличие которых приводит к сужению рабочей полосы пропускания и которая по оценкам, сделан0

ным с помощью измерительной линии, составляет около 2 МГц.

Полученная зависимость частоты генерации от напряжения инжекции не зависит от тока, величина которого варьируется в эксперименте от 0,25 до 0,6 А. Для определения групповой скорости на рабочей частоте 1818 МГц необходимо определить по этой зависимости величину S df/dU f 1818 МГц, которая составляет S 170 Гц/В,

VrP

аип 88кВ(.17),

0.011.

15

0

5

0

5

0

5 0

Этой частоте соответствует максимум крутизны электронной перестройки частоты и в соответствии с измерениями с помощью измерительной линии этой частоте соответствует минимум коэффициента стоячей волны.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет не только значительно сократить количество измерений для определения сопротивления связи, ширины полосы пропускания, групповой скорости за счет независимого изменения параметров тока и напряжения инжекции в широких пределах, но и проводить эти измерения для отдельных коротких частей ускоряющих и группирующих структур многосекционных ускорителей на бегущей волне без конструктивных изменений и развакуумирования.

Формула изобретения Способ определения высокочастотных параметров ускоряющих структур, включающий пропускание электронного пучка чет рез ускоряющую структуру, возбуждение в ней бегущей волны электромагнитного поля, измерение входных параметров электронного пучка и вычисление высокочастотных параметров, отличающий ся тем, что, с целью повышения точности и упрощения способа, после измерения вход-4 ных параметров электронного пучка измеряют параметры его автогенерации, а высокочастотные параметры определяют из следующих выражений:

Vrp Vn/(1 5- -4r)

Л moVfi Г$ i

Af f2(U2)-fi(Ui);

Un

m0

( i)

:,j

где Un напряжение инжекции, В;

RGB - сопротивление связи ускоряющей структуры для обратной (-1) пространственной гармоники с отрицательной групповой скоростью, Ом;

Vn - скорость частиц пучка, м/с;

с - скорость света, м/с;

т0, е масса, г и заряд, кул., электрона соответственно;

N If/Vn(Un) - число замедленных длин волн, укладывающихся на длине I, м, ускоряющей структуры;

In - пороговое значение тока инжекции, соответствующее началу автогенерации, А;

S df/dU - крутизна электронной перестройки частоты f, S 0, Гц/В;

Д f - ширина полосы пропускания структуры, Гц;

fi, Ui, f2, U2 - граничные значения частоты автогенерации, Гц, и напряжения инжекции, В, соответствующие срыву эвтогенерации;

D - период структуры, м.

Использование: электронная техника, технология изготовления СВЧ-приборов. Сущность изобретения: пропускают через ускоряющую структуру непрерывный электронный пучок, измеряют входные параметры электронного пучка и параметры автогенерации пучка в исследуемой ускоряющей структуре. Высокочастотные характеристики определяют из заданных соотношений. 2 ил.

h zirlL

А

2Я-6